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1、会计学1无线传播环境无线传播环境 n n 本章内容n n 无线信道基本传播特性n n 无线信号的大尺度传播特性n n 无线信号的小尺度传播特性第1页/共77页 n n 本章重点n n 电磁信号基本传播机制n n 多径传播与多普勒频移n n 统计多径信道模型第2页/共77页 n n 学习本章目的和要求n n 了解无线信道基本传播特性n n 掌握无线信号的大尺度传播特性n n 了解多径传播与多普勒频移的基本特性第3页/共77页 2.1 无线信道基本传播特性无线信道基本传播特性n n 无线信道定义为基站天线与移动台天线之间的电磁传播路径，包括发射与接收天线本身以及两付天线之间的传播介质，在移动通信中
2、传播介质通常为大气。第4页/共77页 n n 总体来讲，无线传播路径分为视距传播（Line-of-sight，LOS）和非视距传播（Non-line-of-sight，NLOS）。第5页/共77页 n n 2.1.1 2.1.1 自由空间传播模型自由空间传播模型n n 自由空间传播模型通常可以用于预测传播路径上无任何遮挡与反射物的LOS信号传播条件下的接收信号强度。第6页/共77页 n n 自由空间传播模型假设发射天线和接收天线都放置在均匀无限大的传播空间中，且接收天线处于发射天线辐射的远场区域，即在此远场区域中的任意一点电场方向、磁场方向和电磁波传播方向两两互相垂直。第7页/共77页 n n
3、 设d为发送天线与接收天线间的距离，那么，接收信号的功率Pr(d)可以用如下公式表达 式中：式中：Pt是发射功率；是发射功率；Gt是发射天线增益；是发射天线增益；Gr是接收天线增益；是接收天线增益；L是与无线传播无关的系统是与无线传播无关的系统损耗因子（损耗因子（L1）；）；是波长。是波长。第8页/共77页 n n 发射和接收天线的增益都是天线本身的设计参数，通常与天线的大小、天线单元的间距与相位设计，以及发送和接收天线之间的连线与天线主瓣之间的夹角有关。第9页/共77页 n n 2.1.2 2.1.2 电磁信号基本传播方电磁信号基本传播方式式n n 在实际移动通信传播环境中，反射、绕射和散射
4、是无线信号三种主要的传播方式。第10页/共77页 n n（1 1）反射：）反射：n n 当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。第11页/共77页 n n（2 2）绕射：）绕射：n n 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。第12页/共77页 n n（3 3）散射：）散射：n n 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。第13页/共77页 n n 1 1信号的反射信号的反射n n 2 2信号的绕射信号的绕射n n 3 3信号的散射信号的散射第14页/共77页 2.2 无线信号的大尺度传播特性无
5、线信号的大尺度传播特性n n 在无线通信中，将由发射与接收天线间距、收发天线之间的地形、建筑物、植被等导致的信号功率衰减称为无线信号的大尺度传播特性。第15页/共77页 n n 大尺度传播特性主要包括路径损耗和阴影衰落。路径损耗主要是由收发天线间距、传播信号载频和地形因素导致；而阴影衰落主要是由于建筑物或地形遮挡导致某些区域接收信号突然下降。第16页/共77页 n n 确定某一特定地区的大尺度传播环境的主要因素有：n n（1 1）自然地形（高山、丘陵、平）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；原、水域等）；n n（2 2）人工建筑的数量、高度、分）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；布和材料
6、特性；第17页/共77页 n n（3 3）该地区的植被特征；）该地区的植被特征；n n（4 4）天气状况；）天气状况；n n（5 5）自然和人为的电磁噪声状况。）自然和人为的电磁噪声状况。第18页/共77页 n n 通常，在无线网络规划中对大尺度传播特性采取经验模型与确定模型相结合的方法。第19页/共77页 n n 所谓经验模型就是根据大量实地测试的结果进行统计建模分析得到的近似计算公式，而确定模型是在获得网络规划场景中具体传播环境参数后直接用电磁传播理论对大尺度传播特性进行计算，常用的计算方法有射线跟踪法、几何绕射法等。第20页/共77页 n n 以下是本书中所用到的主要参数的定义：n n
7、hm移动台天线高度；n n rm移动台到最近的建筑物之间的距离；n n h0建筑物的典型高度（一般取平均高度）；n n hb基站天线高度；第21页/共77页 n n d基站到移动台之间的距离（m）；n n D=d103基站到移动台之间的距离（km）；n n f载波频率（Hz）；n n fc=f106载波频率（MHz）；n n 自由空间中波长（m）。第22页/共77页 n n 2.2.1 2.2.1 路径损耗与阴影衰落路径损耗与阴影衰落n n 1 1路径损耗路径损耗n n 路径损耗（单位dB）通常可以表达为n:路径损耗指数；路径损耗指数；d0是离基站足够近是离基站足够近的路径参考点。的路径参考点
8、。第23页/共77页 n n 2 2阴影衰落阴影衰落n n 在实际传播环境中，即使两个移动台与基站之间的路径损耗相同，其各自的能量衰减也可能有很大差异，而这一差异就是由阴影衰落引起的。第24页/共77页 n n 式中：X服从均值为0、方差为的正态分布，根据系统所处的不同传播环境而不同，多是根据实地测量数据而确定，其典型值为5dB10dB。第25页/共77页 n n 2.2.2 2.2.2 常用室外传播预测模常用室外传播预测模型型n n 1 1宏蜂窝的传播模型宏蜂窝的传播模型n n 宏蜂窝小区（macro cell）的覆盖半径大多为1km25km，多用于解决大面积的覆盖问题。第26页/共77页
9、n n（1 1）奥村模型（）奥村模型（Okumura-Hata Okumura-Hata ModelModel）n n Okumura模型为预测城区信号时使用最广泛的模型。应用频率在150MHz1920MHz之间（可扩展到3000MHz），距离为1km100km之间，天线高度在30m1000m之间。第27页/共77页 n n 该种模型的主要缺点是对城区和郊区快速变化的反应较慢。预测和测试的路径损耗偏差为10dB14dB。n n 这种方法包括按照地形地貌将预测区域分为不同的类别：即开阔地、郊区和城区。第28页/共77页 n n（2 2）COST 231-HataCOST 231-Hata模型模型
10、n n 该模型是针对中小城市的，适用于工作频率在1500MHz2000MHz之间，hb在30m200m之间，hm在1m10m之间，d在1km20km之间。第29页/共77页 n n 2 2微蜂窝的传播模型微蜂窝的传播模型n n 微蜂窝小区（micro cell）是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术，它的覆盖半径大约为30m300m。在微蜂窝中，基站天线的高度通常与街道的灯柱等高，一般在地平面以上3m6m。第30页/共77页 n n 此时，其主要传播机制是自由空间传播加上小区覆盖范围内的多次反射和散射，以及建筑物的侧面和屋顶的绕射影响。n n经验模型双斜率经验模型（Dual-Slope Em
11、pirical Model）第31页/共77页 n n 2.2.3 2.2.3 常用室内传播预测模常用室内传播预测模型型n n 研究室内电波传播，建立有实用意义的室内电波传播模型，可以为室内无线通信系统的设计提供最佳网站配置的依据。第32页/共77页 n n 室内无线信道有两个方面不同于传统的移动无线信道覆盖距离更小，环境的变动更大。室内的电波传播不受气候因素（如雨、雪和云等）的影响，但要受建筑物的大小、形态、结构、房间布局及室内陈设的影响，最重要的是建筑材料的影响。第33页/共77页 n n 室内无线传播同室外具有同样的方式：反射、绕射和散射。n n 一般来说，室内信道分为视距（LOS）或阻
12、挡（OBS）两种，并随着环境杂乱程度而变化。第34页/共77页 n n 1 1分隔损耗（同楼层）分隔损耗（同楼层）n n 2 2楼层间分隔损耗楼层间分隔损耗n n 3 3对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型n n 4 4EricssonEricsson多重断点模型多重断点模型第35页/共77页 距离（距离（m m）路径损耗下限路径损耗下限(dB)(dB)路径损耗上限路径损耗上限(dB)(dB)1 1r r101030+20log30+20logr r30+40log30+40logr r1010r r202020+30log20+30logr r40+30log40+30logr r202
13、0r r4040 19+60log19+60logr r1+60log1+60logr r4040r r 115+120log115+120logr r 95+120log95+120logr r表表2-12-1EricssonEricsson室内传播模型室内传播模型第36页/共77页 n n 5 5衰减因子模型衰减因子模型n n 6 6建筑物信号穿透损耗建筑物信号穿透损耗第37页/共77页 n n 2.2.4 2.2.4 传播模型的校准传播模型的校准n n 较准确的传播模型使得对基站的覆盖范围和网络的覆盖状况的预测变得更加精准有效。通常情况下的传播模型都是在经验模型基础上根据实测数据进行矫正
14、得出的结果。第38页/共77页 n n 1 1实地传播损耗的测量实地传播损耗的测量n n 2 2测量数据的处理与传播模型的矫正测量数据的处理与传播模型的矫正第39页/共77页 2.3 无线信号的小尺度无线信号的小尺度传播特性传播特性n n 由于无线信号反射、绕射和散射特性的综合作用，从发射天线到接收天线的传播路径不只一条，即一个发送信号经过传播环境会在接收端产生多个不同接收信号，这些信号以不同的到达强度、不同的到达时间到达接收天线。第40页/共77页 n n 这种现象成为无线信号的多径传播，每一条传播路径成为多径信号的一径。第41页/共77页 n n 多径传播往往导致以下现象的出现：n n（1
15、 1）移动台的接收信号在一小段）移动台的接收信号在一小段时间内快速变化，这一变化通常成时间内快速变化，这一变化通常成为多径衰落；为多径衰落；第42页/共77页 n n（2 2）由每条径上信号多普勒频移）由每条径上信号多普勒频移导致的对接收信号的随机调频；导致的对接收信号的随机调频；n n（3 3）由于多径信号先后到达导致）由于多径信号先后到达导致的接收信号在时间上的扩展。的接收信号在时间上的扩展。第43页/共77页 n n 2.3.1 2.3.1 多径传播与多普勒频多径传播与多普勒频移移n n 在移动环境中，由于移动台的运动接收信号会发生频率偏移，称为多普勒频移。第44页/共77页 n n 图
16、图2-1 瑞利衰落信号的功率谱（车速瑞利衰落信号的功率谱（车速50km/h）第45页/共77页 图图2-2 瑞利衰落信号的功率谱（车速瑞利衰落信号的功率谱（车速1km/h）第46页/共77页 n n 2.3.2 2.3.2 无线多径信道的主要无线多径信道的主要技术参数与分类技术参数与分类n n 1 1无线多径信道的主要技术无线多径信道的主要技术参数参数第47页/共77页 n n（1 1）时延扩展）时延扩展n n 在多径传播环境下，由于传播路径的差异将导致多径信号以不同的时间到达接收端。第48页/共77页 n n 如果发射端发送的只是一个单脉冲信号，那么，接收端收到的将是多个具有不同时延的脉冲的
17、叠加。显而易见，从时间域来看，接收信号出现了所谓的时延扩展。第49页/共77页 n n 时延扩展对数字信号的传输有重要影响。时延扩展与信道的电波传播环境密切相关，不同时间、地域和用户情况的信道，其时延扩展量有着显著的差异。第50页/共77页 图图2-3 典型的时延谱典型的时延谱第51页/共77页 n n（2 2）相关带宽和频率选择性衰落）相关带宽和频率选择性衰落n n 从频域来看，时延扩展可以导致频率选择性衰落。第52页/共77页 n n 在图2-4中，根据知道的矢量相加的三角形法则，容易理解，粗黑线代表的矢量正是反映信道特性的矢量K(t)，其长度正反映了信道的衰减特性。第53页/共77页 图
18、图2-4 多径接收信号的矢量示意图多径接收信号的矢量示意图 第54页/共77页 图图2-5 多径信道的频域响应示意图多径信道的频域响应示意图第55页/共77页 n n（3 3）相干时间和时间选择性衰落）相干时间和时间选择性衰落n n 在前面已经指出，当移动台在传播径向移动时将使接收到的信号产生多普勒频移，从而使接收信号的功率谱展宽。第56页/共77页 n n 当运动方向与径向一致时，有最大的多普勒频移fm。而相干时间Tc定义为多普勒频谱扩展宽度FD的倒数，即Tc=1/FD。该参数表示由多普勒效应导致的信号衰落的衰落速度。这类衰落是在特定时间段发生的，因而被称为时间选择性衰落。第57页/共77页
19、 n n 2 2无线多径信道的分类无线多径信道的分类n n 上面详细讨论了多径传播产生的时域扩展和多普勒效应导致的频域扩展。无论时域或频域中的扩展都意味着弥散，即本来分开的波形或频谱出现了交叠。第58页/共77页 n n 出现了交叠的信道成为弥散信道。根据数字信号的码速率、带宽和多谱勒频展、时延扩展的关系，衰落信道可以分为以下四类。第59页/共77页 n n（1 1）非弥散信道，即平坦衰落）非弥散信道，即平坦衰落(Flat Fading)(Flat Fading)。n n（2 2）时间弥散信道，即频率选择）时间弥散信道，即频率选择性衰落。性衰落。第60页/共77页 n n（3 3）频率弥散信道
20、，即时间选择）频率弥散信道，即时间选择性衰落。性衰落。n n（4 4）时间频率弥散信道，即时）时间频率弥散信道，即时间选择性衰落和频率选择性衰落同间选择性衰落和频率选择性衰落同时存在。时存在。第61页/共77页 图图2-6 发送符号周期发送符号周期第62页/共77页 图图2-7 发送基带信号带宽发送基带信号带宽第63页/共77页 n n 2.3.3 2.3.3 统计多径信道模型统计多径信道模型n n 1 1RayleighRayleigh信道模型信道模型n n 多径衰落乃是移动台收到不同传播路径来的同一信号源的电波产生合成信号所造成的结果。通过下面的推导可得到多径信号的分布。第64页/共77页
21、 n n 图2-8和图2-9所示为车速分别为20km/h和50km/h下的Rayleigh衰落情况。由图可见，移动台移动得愈快，快衰落愈剧烈。第65页/共77页 n n 因此，由于通信范围的不断扩展，从陆地环境到高空飞行时的通信，对移动通信技术提出了越来越高的要求。第66页/共77页 图图2-8 车速车速20km/h的瑞利衰落信号包络（经典谱）的瑞利衰落信号包络（经典谱）第67页/共77页 图图2-9 车速车速50km/h的瑞利衰落信号包络（经典谱）的瑞利衰落信号包络（经典谱）第68页/共77页 n n 2 2RicianRician信道模型信道模型n n 当到达接收机的信号中含有一个明显的较
22、强的路径分量，则此时的信号包络将由瑞利分布变为莱斯分布，其信号包络的概率密度为第69页/共77页 n n 3 3Nakagami-mNakagami-m信道模型信道模型n n Nakagami-m分布对于无线信道的描述具有很好的适应性，常见的Rayleigh衰落、Ricean衰落都可以用其来描述。m越小，信道特性越恶劣；m越大，信道特性越好。第70页/共77页 n n（1 1）若信号包络）若信号包络r r服从服从Nakagami-mNakagami-m分布，则其概率密度为分布，则其概率密度为第71页/共77页 n n（2 2）Nakagami-mNakagami-m分布和其他分布分布和其他分布
23、的联系的联系n n 和Rayleigh分布的关系n n 和Ricean分布的关系n n 和Gaussian分布的关系第72页/共77页小小 结结n n 本章对无线移动通信中的信号传播特性进行了系统的介绍。第73页/共77页 n n 介绍了无线信号反射、绕射、散射三种基本传播方式；介绍了由于这三种基本传播方式导致的对无线信号传播的大尺度衰落和小尺度衰落的影响。第74页/共77页 n n 在介绍大尺度衰落中，介绍了路径损耗与阴影衰落的定义与其各自的建模方法。在介绍小尺度衰落中，介绍了多径衰落与多普勒频移的产生原因、特点以及对无线信号传输的影响。第75页/共77页 n n 最后，本章介绍了三种统计多径信道模型，并分析了其各自的特点与相互关系。第76页/共77页